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WS 2013/14 Vorlesung: Prozessautomatisierung,· Prof. Dr.-Ing. Mohieddine Jelali 1
Mohieddine Jelali
Prozessautomatisierungstechnik
3. Kommunikationsnetzwerke
WS 2013/14 Vorlesung: Prozessautomatisierung,· Prof. Dr.-Ing. Mohieddine Jelali 2
Inhaltsangaben zu Kapitel 3
Kommunikationsnetzwerke
3.1 Netztopologien
3.3 Übertragungsmedien
3.3 Feldbussysteme
3.4 Buszugriffsverfahren
3.5 Wichtige Feldbussysteme
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3.1 Netztopologien
Begriffe
- Netzwerk: Kommunikationsfähiger Verbund von Rechnern, Prozessoren oder
Automatisierungsgeräten (Sensoren, Aktoren, Steuerungen) in verteilten
Automatisierungssystemen
- Netztopologie: Art und Logik der Verbindungen
Anforderungen
- möglichst geringe Vernetzungskosten
- hohe Flexibilität bei Änderungen
- möglichst offene, standarisierte Schnittstellen
- hohe Übertragungssicherheit
- kurze Reaktionszeiten auf Kommunikationsanfragen
Problem
Zum Teil widersprechende Anforderungen Festlegung von Prioritäten
Beispiel: Hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit durch redundantes
Bus-System bedeutet hohe Verkabelungskosten.
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Grundstrukturen der Kommunikation
Stern-Struktur
Netz-Struktur
3.1 Netztopologien
DAE
AE
AE
AE
AE
AE
AE
AE
AE
AE AE
AE
Eigenschaften der Netzstrukturen
- Stern-Struktur: Jeder Teilnehmer ist über eine eigene Übertragungsleitung mit
dem zentralen Gerät verbunden; Ausfall der Zentraleinheit führt zum Ausfall
der Kommunikation.
- Netz-Struktur: Parallele Informationsübertragung; kurze Reaktionszeit;
viele Schnittstellen; sehr hohe Verkabelungskosten
AE: Automatisierungseinheit
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Grundstrukturen der Kommunikation
Ring-Struktur
Bus- Struktur (Datensammelleitung)
3.1 Netztopologien
AE AE AE
AE
AE
AE
Eigenschaften der Netzstrukturen
- Ring-Struktur: Jede Einheit kann nur an direkte Nachbarn übertragen;
Ausfall einer Station führt zum Ausfall des Netzes
(sofern keine Redundanzen vorgesehen sind, z.B. Doppelring)
- Bus-Struktur: Anbindung meist über Stichleitungen (verringerter
Verkabelungsaufwand); Nur jeweils ein Teilnehmer kann senden;
gleichzeitige Informationsaufnahme von allen Teilnehmern;
Koordination des „Senderechtes“ über Buszugriffverfahren erforderlich.
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Zweidrahtleitung (Twisted Pair)
- Übertragungsrate:
bis zu 100 MBit/s
3.2 Übertragungsmedien
Äußere Kunststoffmantel
Alu-kaschierte Folie (zur Reduzierung des Nahnebensprechens)
Magnetgeflechtsschirm (gegen externe Störungen)
Twisted pair
Äußere Kunststoffmantel
Alu-kaschierte Folie (zur Reduzierung des Nahnebensprechens) Twisted pair
STP: Shielded Twisted Pair
UTP: Unshielded Twisted Pair
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Koaxialkabel (doppelt geschirmt)
- Eigenschaften:
Aufwendiger Aufbau, wenig empfindlich gegen Störeinflüsse,
3.2 Übertragungsmedien
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Lichtwellenleiter (LWL; Glas, Kunststoff)
Übertragungsrate: GBit/s-Bereich
Übertragungslänge: bis 100 km
- Eigenschaften:
keine Erdungsprobleme, Potentialtrennung zwischen Sender und Empfänger,
keine elektromagnetischen Störeinflüsse,
sehr niedrige, frequenzunabhängige Grunddämpfung
⇒ hohe Übertragungsrate,
geringes Gewicht, leichte Verlegbarkeit
3.2 Übertragungsmedien
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3.3 Feldbussysteme
Begriffe
- Feldbereich: Teil des Automatisierungssystems, der in räumlicher Nähe oder
direkter Verbindung zum technischen Prozess steht.
- Feldgeräte: Mess-, Schalt- und Stellgeräte, Regeleinrichtungen und
Bediengeräte, die direkt mit dem technischen Prozess interagieren.
- Feldbussysteme: Serielle Datenkommunikationssysteme für Datenaustausch
im Feldbereich; hier besonders zu erfüllende Anforderungen an die Sicherheit
der Datenübertragung: Datenintegrität, EMV-Resistenz
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3.3 Feldbussysteme
Motivation
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ISO/OSI-Kommunikationsmodell (Open System Interconnecion)
Schicht 7: Anwendungsschicht Anwenderschnittstelle (Application layer) Informationsverarbeitung
Schicht 6: Darstellungsschicht Formatierung von Daten, (Presentation layer) Festlegung von Zeichensätzen usw.
Schicht 5: Sitzungsschicht Auf- und Abbau von Sitzungen (Session layer) Koordination der Kanalnutzung
Schicht 4: Transportschicht Umsetzung von Namen, (Transport layer) Netzwerksadressen, Teilnehmerverbindungen
Schicht 3: Netzwerkschicht Festlegung der Datenwege, (Network layser) Endsystemverbindungen
Schicht 2: Datenverbindungs- Festlegung der Zugriffsarten schicht Versenden und Empfangen, (Data link layer) von Datenpaketen
Schicht 1: Physikalische Schicht Definition und Erzeugung der (Physical layer) elektrischen Signale
An
wen
derorie
nti
erte
S
ch
ich
ten
Tran
sp
orto
rie
nti
erte
S
ch
ich
ten
3.3 Feldbussysteme
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Klassifikation von Feldbuskonzepten
Automati- sierungs- rechner 1
Automati- sierungs- rechner n
E/A- Knoten
1
E/A- Knoten
m
Vernetzung von dezentralen, im Feld
untergebrachten Rechnern
Vernetzung von E/A-Knoten
Vernetzung von Sensoren/
Aktoren mit Busschnittstelle
Zentraler Rechnerbereich
Feldbus- schnittstelle
Feldbereich
Sensor/Aktor- Schnittstelle
„Feldbus“
Feldbus
Feldbus (Aktor/
Sensor-Bus)
3.3 Feldbussysteme
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Anforderungen und Kennwerte
- Übertragungsrate: einige kBit/s bis 12 MBit/s, abhängig von der Anzahle der
Busteilnehmer
- Maximale Anzahl von Teilnehmern pro Bussegment: 32127, u.a. abhängig von
der Übertragungsrate
- Maximale räumliche Ausdehnung der Busstruktur: 502000m
- Determiniertheit der Zykluszeit: für manche Anwendungen, z.B. in der
Antriebtechnik, muss die Einhaltung bestimmter maximaler Zykluszeiten
garantiert werden.
- Anzahl der übertragbaren Nachrichtenpakete pro Sekunde: nicht unbedingt
proportional zur Übertragungsrate (variable Nachrichtenlänge)
- Möglichkeit zur Verwendung von variablen Nachrichtenlängen je nach Art der
Daten: zeitkritische Prozessdaten, zeitunkritische Statusdaten
- Unempfindlichkeit des Bussystems gegenüber Störungen und
Umwelteinflüssen (EMV-Verträglichkeit, Temperatur, Feuchtigkeit usw.)
- Kosten pro Teilnehmeranschluss
3.3 Feldbussysteme
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Beispiel Hersteller und Haupteinsatzgebiet
Bit-Bus Intel; Fabrikautomation
AS-Interface 11 Aktor-/Sensorhersteller; einfache Schnittstelle binärer Feldgeräte
INTERBUS-S Phoenix Contact; Fertigungsautomatisierung
PROFIBUS (Process Field Bus) „Verbundprojekt Feldbus“; Europäischer Feldbusstandard
Foundation Fieldbus Fieldbus Foundation; amerikanischer Feldbusstandard
EIB (European Installation Bus) Hersteller Elektroinstallationstechnik; Gebäudeautomatisierung
CAN (Controller Area Network) BOSCH/Intel, Kfz
FlexRay Konsortium (Daimler, BMW, Motorola, Philips); Kfz
Industrial Ethernet Ethernet-Erweiterungen für den Einsatz in der Automatisierungstechnik
3.3 Feldbussysteme
Beispiele und Einsatzgebiete
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3.3 Feldbussysteme
Beispiel eines vernetzten Fahrzeugs
Kommunikationsnetzwerk im Maybach
Insgesamt 76 Steuergeräte!
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Buszugriff
Regeln für das Senden von Nachrichten
Klassifizierung
- Deterministischer Buszugriff
• festgelegtes Verfahren für Sendeberechtigung
• Antwortzeitverhalten
- Zufälliger Buszugriff
• permanentes Mithören
• ereignisgesteuerte Kommunikation
• niedrige mittlere Busbelastung
• nicht vorhersagbares Antwortzeitverhalten
Beispiele: Master/Slave-Verfahren, Token-Passing-Verfahren, TDMA-Verfahren
Beispiele: CSMA-Verfahren (CSMA/CD, CSMA/CA)
3.4 Buszugriffsverfahren
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für Digitalsignale für Analogsignale
frequenzmultiplex
stochastischer Zugriff deterministischer Zugriff
parallel-seriell seriell parallel
synchron asynchron
zentral dezentral
Master/Slave flying Master
Bus
CSMA CSMA/CD CSMA/CA
zeitmultiplex
3.4 Buszugriffsverfahren
Klassifikation von Feldbussystemen
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Master/Slave-Verfahren
- Prinzip:
• übergeordneter Busteilnehmer (Master) steuert Buszugriff
• Kommunikation immer zwischen Master und Slaves
- Vorteile:
• einfache Organisation
• sichergestellte Maximalzeit
- Nachteile:
• maximale Reaktionszeit (Latenzzeit) proportional zur Anzahl der
Busteilnehmer
• keine Kommunikationsbeziehung mehr möglich bei Ausfall des Masters
Beispiele: AS-Interface, Bitbus, Profibus
Slaves 1 bis n
Master
3.4 Buszugriffsverfahren
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Token-Passing-Verfahren
- Prinzip:
Weitergabe des Token (Senderecht) von
Teilnehmer zu Teilnehmer nach
einer maximalen Zeitdauer
- Arten:
• Token-Bus: Weitergabe des Token in Reihenfolge der Busadressen
• Token-Ring: Senderecht nach Reihenfolge der Teilnehmer im Ring
- Vorteile:
• gutes, vorhersagbares Echtzeitverhalten
• sehr gute Hochlasttauglichkeit
- Nachteile:
• lange Verzögerungszeiten im Fehlerfall
• Überwachung der Tokenweitergabe
• Reinitialisierung nach Tokenverlust
Beispiel: Profibus
Busteilnehmer 1 bis n
3.4 Buszugriffsverfahren
T
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TDMA-Verfahren - Time Division Multiple Access
- Prinzip:
• Jeder Teilnehmer bekommt innerhalb einer Periode (TDMA-Zyklus)
einen oder mehrere Zeitschlitze bestimmter Länge.
• Prinzip des verteilten Schieberegisters
Master-Schieberegister mit m ∙ n Bit
Register Teilnehmer n
Register Teilnehmer 1
Register Teilnehmer 2
Takt
3.4 Buszugriffsverfahren
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TDMA-Verfahren - Time Division Multiple Access
- Vorteile:
• kurze, konstante Zykluszeit
• geringer Protokoll-Overhead
- Nachteile:
• zeitliche Synchronisierung der Teilnehmer notwendig
• ungeeignet für autonome Teilnehmer
• wenig flexibel, keine dynamische Anpassung
Beispiele: INTERBUS-S, FlexRay
3.4 Buszugriffsverfahren
WS 2013/14 Vorlesung: Prozessautomatisierung,· Prof. Dr.-Ing. Mohieddine Jelali 22
CSMA-Verfahren - Carrier Sense Multiple Access
- Prinzip:
Jeder Teilnehmer hat Buszugriff ohne explizite Senderechtszuteilung
(Multiple Access).
- Ablauf eines Sendevorgangs:
3.4 Buszugriffsverfahren
Sendeversuch
Medium abhören Warten
(Backoff-Zeit)
Daten senden und Medium abhören
Kollision?
Fertig?
Frei? Ende
ja
nein ja
JAM-Signal senden
nein
ja
nein
WS 2013/14 Vorlesung: Prozessautomatisierung,· Prof. Dr.-Ing. Mohieddine Jelali 23
CSMA/CD-Verfahren - Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection
- Prinzip:
• Erkennung von Kollisionen durch Datenabgleich
• Sendewiederholung nach teilnehmerspezifischer Wartezeit
- Vorteile:
• niedrige Busbelastung
• kurze Latenzzeit im Niederlastbereich
- Nachteil:
• im Hochlastbereich lange Wartezeiten
Beispiel: Ethernet
3.4 Buszugriffsverfahren
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CSMA/CA-Verfahren - Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance
- Prinzip:
Vermeidung von Kollisionen durch Prioritätsregeln
- Prioritätsregeln:
• Adress-Arbitrierung: Teilnehmer mit niedrigster/höchster Adresse setzt
sich bei gleichzeitigem Sendeversuch durch.
• Zeitspanne-Zuordnung: Nach Beendigung einer Sendung
teilnehmerspezifische Wartezeitspanne
Beispiel: CAN-Bus
3.4 Buszugriffsverfahren
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CAN-Bus - Controller Area Network
- Ursprung:
Entwicklung durch Bosch/Intel für den Einsatz im Automobilbereich
(Airbag, ABS, Motormanagement, Klimaanlage usw.)
- Eigenschaften:
• Nachrichtenorientierte Adressierung: Auf einem Knoten können mehrere
Objekte liegen, Objekt wird adressiert, nicht der Knoten.
• Multimaster-Buszugriffstechnik
• Busvergabe nach Prioritäten bei Zugriffskonflikt durch nichtzerstörende,
bitweise Arbitrierung nach dem CSMA/CA-Verfahren
• Kurze Botschaftslänge (08 Byte)
• Übertragungsraten bis 1 Mbit/s (bei max. 40m Buslänge)
• Verschiedene Fehlererkennungsmechanismen
• Selbsttest durch Fehlerzähler: Verursacht ein Knoten zu viele Fehler, so
koppelt er sich schrittweise vom Bus ab.
3.5 Wichtige Feldbussysteme
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PROFIBUS - Process Field Bus
- Feldbusfamilie:
• PROFIBUS-DP (Dezentrale Peripherie)
• PROFIBUS-FMS (Field Message Specification)
• PROFIBUS-PA (Prozess-Automatisierung)
- Master-Teilnehmer (aktive Teilnehmer):
• Sendung von Nachrichten ohne Aufforderung bei Tokenbesitz
- Slave-Teilnehmer (passive Teilnehmer):
• kein Tokenbesitz möglich
• Quittierung von Nachrichten
• Nachrichtenübermittlung auf Anfrage
Token-Passing-Verfahren für aktive Teilnehmer
Master-Slave-Verfahren zwischen aktiven und passiven Teilnehmern
3.5 Wichtige Feldbussysteme
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Hybrides Zugriffsverfahren beim PROFIBUS
3.5 Wichtige Feldbussysteme
Antrieb
M
Sensor
Aktor
Sensor
Antrieb
M
Aktor
T Aktive Busteilnehmer (Master-Geräte)
Passive Busteilnehmer (Slave-Geräte)
Master-Slave- Kommunikation
Logischer Tokenring
Profibus
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3.5 Wichtige Feldbussysteme
PROFIBUS DP
- hohe Datenübertragungsraten: bis 12 Mbit/s
- geringe Reaktionszeiten: bis 1 ms
- intelligente Feldgeräte
(z.B. Antriebe, Analysengeräte,
Prozessregler oder Panels) und
- dezentrale Peripheriegeräte
(Remote I/Os)
PROFIBUS PA
- Übertragungsrate: 31,25 kbit/s
- typische Kommunikationszeit: 10 ms
- Zweidrahtleitung mit eigensicherer
Übertragungstechnik MBP
(Manchester Coded; Bus Powered)
- einfache Geräte
(z.B. pneumatische Aktuatoren,
Magnetventile oder Sensoren für
Mess- und Analyseaufgaben)
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Interbus-S
- Zielsetzung:
Übertragung von zyklisch anfallenden Daten im Sensor-Aktor-Bereich ohne
großen Overhead (kurze, deterministische Zykluszeiten)
- Topologie:
• geschlossener, deterministischer Ring
• Master-Slave-Verfahren, feste Telegramm-Länge
• Übertragungsrate: 500 kBit/s
• max. 4096 E/A-Punkte
• Buslänge: bis zu 400 m (zwischen zwei benachbarten Feldbus-
Teilnehmern)
• Gesamtlänge: 13 km
- Physikalische Adressierung:
Zuweisung der Daten zu den einzelnen Teilnehmern nicht über die Vergabe
einer Busadresse, sondern automatisch über die physikalische Lage der
Teilnehmer im System
3.5 Wichtige Feldbussysteme
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Industrial Ethernet
- Zielsetzung:
Einsatz von Ethernet (IEEE 802.3) auf der Feldebene
(aktueller Trend der Übertragung von Standard-Technologien auf die
Automatisierungstechnik)
- Vorteile:
• kostengünstig (Massenmarkt)
• verbreitet (kein spezielles Know-How erforderlich)
• Durchgängigkeit (Anbindung an Office-Welt)
• Standard-Hardware
3.5 Wichtige Feldbussysteme
WS 2013/14 Vorlesung: Prozessautomatisierung,· Prof. Dr.-Ing. Mohieddine Jelali 31
Industrial Ethernet
- Probleme:
• Anpassung an die speziellen Anforderungen der Automatisierungstechnik
(Echtzeit, Robustheit, Sicherheit) erforderlich
• grundlegend nicht echtzeitfähig (CSMA/CD, nicht deterministisch)
• Übernahme der Probleme aus der Office-Welt (Hacker-Angriffe, Viren,
allg. Sicherheit)
- Notwendige Anpassungen:
• Protokollerweiterungen zur Gewährleistung der Echtzeitfähigkeit
• Anpassung der Topologien zur Reduzierung der Latenzzeiten
• Anpassung der Hardware/Verkabelung zur Erhöhung der mechanischen
Robustheit
3.5 Wichtige Feldbussysteme
Heutiger Standard: TCP/IP
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Office Ethernet vs. Industrial Ethernet
3.5 Wichtige Feldbussysteme
Büro Industrie
- Feste Grundinstallation im Gebäude
- Variabler Gerätanschluss an Standardarbeitsplätzen
- Überwiegend sternförmige Verkabelung
- Anlagenabhängige Verkabelung und Kabelführung
- Feldkonfektionierte Steckverbinder bis IP67
- Redundante Verkabelung, häufig Ringstrukturen
- Große Datenpakete
- Mittlere Netzverfügbarkeit
- Hauptsächlich azyklische Übertragung
- Kein Echtzeitverhalten notwendig
- Kleine Datenpakete
- Sehr hohe Netzverfügbarkeit
- Hauptsächlich zyklische Übertragung
- Echtzeitverhalten notwendig
- Normaler Temperaturbereich
- Wenig Staub, Feuchtigkeit und Erschütterungen
- Kaum mechanische oder chemische Belastung
- Geringe EMV-Belastung
- Erweiterter Temperaturbereich
- Staub, Feuchtigkeit und Erschütterungen möglich
- Gefahr durch mechanische Beschädigung oder chemische Belastung
- Hohe EMV-Belastung
WS 2013/14 Vorlesung: Prozessautomatisierung,· Prof. Dr.-Ing. Mohieddine Jelali 33
Einsatzbereiche für Industrial Ethernet
Echtzeit-Anforderungen
Geräte-kosten
Stück- zahl
Vernetzung von abgeschlossenen, intelligenten Komponenten
gering
hoch
niedrig
Vernetzung intelligenter Antriebe
hoch
hoch
mittel
Dezentrale Ein-/ Ausgabegeräte (I/Os)
hoch
niedrig
mittel
Der rentable Einsatz von Industrial Ethernet ist stark vom jeweiligen Anwendungsfall abhängig!
3.5 Wichtige Feldbussysteme
WS 2013/14 Vorlesung: Prozessautomatisierung,· Prof. Dr.-Ing. Mohieddine Jelali 34
Bezeichnung Datenaustausch Zykluszeit Übertragungs-rate
Anwendung
SERCOS Token-Ring 12 ms 4 MBd S/A-Bus (Servoantr.)
ASI Polling, zyklisch 110 ms 170 MBd S/A-Bus (binäre S/A)
Profibus Master-Slave mit Token Passing
2200 ms 10 kBd12 MBd Anlagen- und Feldbus
Profinet I/O Industrial Ethernet TCP/IP
1100 ms 10 MBd Anlagen- und Feldbus
Interbus-S Schieberegister mit Summenrahmenprotokoll
320 ms Typ. 500 kBd Feldbus
CAN Prioritätsgesteuerter Datenverkehr
10100 ms 1 MBd Feldbus (Kraftfahrzeug)
S/A: Sensor/Aktor Bd: Bit/s
3.5 Wichtige Feldbussysteme
Vergleich wichtiger Feldbussysteme
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